Cracking catalitico degli idrocarburi

[Hegelrast]

Mi rendo conto che il mio ultimo post conteneva gli auguri di Natale… mi dispiace della lunga assenza (ho avuto serissimi problemi al PC durante i primi mesi dell’anno, rasentando la disperazione, poi sono stato presissimo con la preparazione della discussione del dottorato). Ho letto alcune delle discussioni recenti e spero nei prossimi mesi di fornire altri contributi al forum.

Questa volta vi presento un’altra “versione in miniatura” di un processo industriale su larghissima scala, forse la base fondamentale di tutta la petrolchimica: il cracking catalitico degli idrocarburi.

L’idea è quella di ottenere idrocarburi a basso peso molecolare (industrialmente GPL, benzine e gasoli) partendo da prodotti di prima distillazione più pesanti (tipo nafte, oli pesanti, fondo di topping). La variante termica è la più “vecchia” e procede ad altissime temperature con un meccanismo prevalentemente radicalico. Quest’ultima è ormai poco usata, mentre è preferita la variante catalitica (meccanismo prevalentemente carbocationico) che impiega zeoliti sintetiche come catalizzatori e viene condotta a temperatura più bassa.

In questo esperimentino didattico come fonte di idrocarburi pesanti usiamo la paraffina liquida (o olio di vaselina), miscela di alcani attorno a C20, prevalentemente lineari, con bassissimo contenuto di altre impurezze (in commercio per uso alimentare e farmaceutico). Come catalizzatore non c’è affatto bisogno di impiegare le zeoliti industriali (microporose con strutture cristalline ottimizzate per la massima resa), ma è sufficiente quasi qualsiasi materiale poroso a base di alluminosilicati, ad esempio la pietra pomice (foto sotto, a sinistra) o perfino la comune terracotta. Per questo esperimento useremo dei frammenti di un normalissimo vaso da giardinaggio (foto sotto, a destra).

Un batuffolo di lana di vetro viene introdotto sul fondo di una provetta di vetro Pyrex e imbevuto di un paio di mL di paraffina liquida.

La provetta viene poi posizionata orizzontalmente e il “catalizzatore” viene posto nella parte libera tra il fondo e l’orlo. Si chiude la provetta con un tappo attraversato da un tubo e l’estremità libera del tubo viene immersa in acqua in una larga ciotola.

Con un bunsen si inizia a riscaldare solo il catalizzatore, poi, quando quest’ultimo ha raggiunto una temperatura abbastanza alta, si sposta di tanto in tanto la fiamma sulla lana di vetro. Parte della paraffina vaporizza e, a contatto con i siti acidi dell’alluminosilicato, subisce il cracking a prodotti più leggeri, molti dei quali gassosi. Questi ultimi si raccolgono ponendo delle provette piene d’acqua e capovolte sopra l’estremità libera del tubo in acqua.

Continuando per alcuni minuti di riscaldamento si possono ottenere facilmente 5-6 provette di gas.

Le prime due conviene che vengano scartate perché contengono ancora residui di aria presente inizialmente nell’apparecchio, oppure possono essere *gentilmente* annusate per percepire l’odore “idrocarburico” dei prodotti.

La terza può essere usata per dimostrare che tali prodotti sono infiammabili avvicinandola alla fiamma del bunsen. :infiammabile:

Alla quarta si aggiunge qualche mL di soluzione acidificata di KMnO4 (foto a sinistra) e alla quinta qualche mL di acqua di bromo (foto a destra). In entrambi i casi il reagente si decolora, dimostrando la presenza di prodotti insaturi (olefine).

Questo è solo un esperimentino banalissimo (anche se pone le sue piccole sfide, eh… ) che rende l'idea di quanto sia semplice la reazione in sé e quanto sia complesso lo spettro di prodotti. E' in arrivo il video su youtube, nei prossimi giorni.

Note operative:
- PRIMA di interrompere il riscaldamento della provetta è FONDAMENTALE rimuovere dall’acqua l’estremità libera del tubo, altrimenti l’acqua verrebbe risucchiata nella provetta calda, con gli evidenti rischi.
- la resa di prodotti insaturi dipende dal catalizzatore, dalla temperatura e da molti altri fattori, quindi è bene non esagerare con le soluzioni di bromo e di permanganato, altrimenti potrebbero non decolorarsi completamente.

[Rocco451]

Incredibile ho assistito oggi all'esecuzione di questa esperienza al Politecnico di Milano! Forse è la stessa persona
Comunque davvero una bella dimostrazione in piccola scala del cracking catalitico!

[Hegelrast]

Incredibile ho assistito oggi all'esecuzione di questa esperienza al Politecnico di Milano! Forse è la stessa persona
Comunque davvero una bella dimostrazione in piccola scala del cracking catalitico!

Primo, grazie per l'apprezzamento! Non mi prendo meriti che non ho... l'esperimento non l'ho inventato io e - ti dico la verità - la prima volta non pensavo nemmeno che avrebbe funzionato...

Poi, immagino che avrai notato molte similitudini con l'apparecchiatura usata in aula... Certo, perchè E' LA STESSA!
Sarebbe stata una coincidenza troppo fortuita, davvero. Non è un esperimento molto comune nelle aule universitarie!!

Presto sarà a disposizione il video per poterlo vedere un po' meglio, vista la pessima risoluzione della webcam che abbiamo dovuto usare.
A presto, ciao!!

[Hegelrast]

Ed ecco il video dell'esperimento, come promesso.

http://www.youtube.com/watch?v=7M7RY04KKBs

Approfitto anche per porre una domanda, magari qualcuno di voi ha uno spunto interessante da dare per ulteriori esperimenti...

Durante la dimostrazione in aula che Rocco451 ha citato, abbiamo anche "mostrato" che il prodotto è ricco di carboni terziari (nei prodotti ramificati che derivano dal riarrangiamento dei carbocationi intermedi) nel seguente modo: il gas di una provetta è stato sciolto in pochi mL di diclorometano, trattato con bromo fino a persistenza del colore rosso (addizione di Br2 ai doppi legami) e poi illuminato fortemente per fare avvenire la fotobromurazione radicalica, dimostrata verificando con cartina tornasole che si svolge HBr. Quest'ultima procede con velocità maggiori sui carboni terziari ma è molto difficile bilanciare una prova in parallelo (per esempio con la paraffina di partenza) per verificare che con carboni secondari/primari è più lenta.
La dimostrazione è ovvia, ma per questo motivo di "minor rigore" non l'ho inclusa nel video.

Qualcuno sa suggerire un metodo "semplice" che mostri in maniera certa che il prodotto è più ricco di ramificati rispetto alla partenza (che dovrebbe contenere solo alcani lineari pesanti)?
So che è un po' chiedere la Luna, ma magari con una buona idea...